网络控制系统的控制与调度研究

论文摘要

本文研究了网络控制系统（networked control systems，NCS）的控制与调度问题，主要内容如下：（1）研究了线性网络控制系统的补偿与控制问题。首先针对存在数据包丢失和不确定短时延的网络控制系统，构造丢包补偿器补偿时延的影响，将NCS建模为一类具有参数不确定性的离散切换系统，利用切换系统控制理论和线性矩阵不等式（linear matrix inequality，LMI）方法，给出了丢包补偿器和控制器设计的参数化方法。然后针对存在数据包丢失和时变长时延的网络控制系统，设计基于开环观测和闭环观测相结合的状态观测器，补偿数据包丢失和长时延对系统性能的影响，将观测误差系统建模为一类离散切换系统，分别给出了状态观测器和区域极点配置控制器的设计方法。（2）研究了网络控制系统中的动态调度策略设计问题。提出了一种基于网络运行状态的动态调度器，通过实时调节控制系统的采样周期，调度网络中的控制数据，以适应网络中信息流的变化。动态调度器由网络状态监测器、网络状态预测算法、采样周期调节算法组成。监测器等间隔采集当前的网络状态，预测算法利用获取的网络状态，估计下一监测周期内的网络利用率和数据包执行时间。针对设定网络利用率期望值的NCS，基于反馈控制机理，预测下一监测周期内的网络利用率；对于未设定网络利用率期望值的NCS，建立网络利用率AR模型，采用最小方差预报估计下一监测周期内的网络利用率。同样建立数据包执行时间的AR模型，求得下一监测周期内数据包执行时间的最小方差预报值。采样周期调节算法基于网络利用率的预估值和数据包执行时间的预估值及当前的网络诱导误差与控制误差，计算控制系统新的采样周期。利用Truetime仿真软件对提出的动态调度器进行仿真研究，研究结果表明，所设计的动态调度器能够获得较高的网络资源可调度性和利用率。（3）研究了网络控制系统中控制与调度协同设计问题，提出了一种变采样周期系统的建模与控制方法。采用动态调度器的NCS，其采样周期是时变不确定的，此时NCS为一变采样周期系统。首先针对理想调度，忽略数据包丢失和网络诱导时延对系统的影响，利用数学变换和矩阵理论，将变采样周期系统等效为一类具有参数不确定性的离散时间系统，实现了变采样周期系统的建模。基于Lyapunov方法和LMI方法，给出了变采样周期NCS状态反馈控制器设计的参数化方法。进而，针对非理想调度，考虑不确定短时延和数据包丢失对系统的影响，将变采样周期系统等效为一类具有参数不确定性的离散切换系统，基于切换系统理论和LMI方法给出了非理想调度下变采样周期NCS的控制器设计方法，从而实现网络控制系统中的控制与调度的协同设计。（4）研究了一类非线性网络控制系统的建模与控制问题。针对被控对象可由Takagi-Sugeno（T-S）模糊模型描述的非线性网络控制系统，当网络中存在不确定短时延，系统可建模为一类具有参数不确定性的T-S模糊系统，利用模糊控制理论与方法，给出了系统渐近稳定的充分条件和模糊控制器设计的参数化方法，在此基础上，进一步研究了系统的H∞控制问题，给出了使系统渐近稳定且满足扰动抑制性能的控制器设计方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 网络控制系统中的基本问题
• 1.2.1 网络诱导时延
• 1.2.2 数据包丢失
• 1.2.3 单包/多包传输
• 1.2.4 数据包时序错乱
• 1.2.5 网络中信息调度
• 1.2.6 网络中控制与调度协同设计
• 1.3 网络控制系统的研究现状
• 1.3.1 基于控制性能的NCS研究方法
• 1.3.2 基于网络运行性能的NCS研究方法
• 1.3.3 控制与调度协同设计的NCS研究方法
• 1.4 目前研究中存在的问题
• 1.5 本文的主要内容
• 2 基于补偿策略的线性网络控制系统的设计
• 2.1 具有短时延和数据包丢失的NCS
• 2.1.1 问题的描述
• 2.1.2 丢包补偿器的构造
• 2.1.3 基于丢包补偿器的NCS建模
• 2.1.4 保成本控制及丢包补偿器的设计
• 2.1.5 仿真算例
• 2.2 具有时变长时延和数据包丢失的NCS
• 2.2.1 问题描述
• 2.2.2 状态观测器
• 2.2.3 主要结果
• 2.2.4 算例仿真
• 2.3 本章小结
• 3 网络控制系统中动态调度器的设计
• 3.1 问题的描述
• 3.1.1 采样周期对网络控制系统性能的影响
• 3.1.2 相关定义
• 3.1.3 采用动态调度器的NCS结构
• 3.2 动态调度器一
• 3.2.1 动态调度器一的物理模型和工作机理
• 3.2.2 动态调度算法一
• 3.2.3 动态调度器一的收敛性
• 3.2.4 动态调度器一的实现步骤
• 3.2.5 仿真研究
• 3.3 动态调度器二
• 3.3.1 物理模型与工作机理
• 3.3.2 动态调度算法
• 3.3.3 仿真算例
• 3.4 本章小结
• 4 基于变采样周期动态调度的控制与调度协同设计
• 4.1 问题描述
• 4.2 动态调度器下采样周期的描述
• 4.3 理想调度下变采样周期系统的建模与控制
• 4.3.1 数学模型的建立
• 4.3.2 理想调度下变采样周期系统的镇定
• 4.3.3 算例仿真
• 4.4 非理想调度下NCS的建模与控制
• 4.4.1 数学模型
• 4.4.2 系统的镇定
• 4.4.3 算例仿真
• 4.5 本章小结
• 5 非线性网络控制系统的T-S模糊建模与控制
• 5.1 问题的描述
• 5.2 数学模型的建立
• 5.2.1 数据包传输的时序
• 5.2.2 数学模型
• 5.3 系统的镇定
• ∞控制'>5.4 系统的H_∞控制
• 5.5 算例仿真
• 5.5.1 仿真条件
• 5.5.2 仿真结果
• 5.6 本章小结
• 6 回顾与展望
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 主要创新点
• 6.3 研究展望
• 致谢
• 作者在攻读博士期间完成的论文
• 参考文献